DE1576969B2

DE1576969B2 - BLADE FASTENING FOR AXIAL FLOW MACHINES

Info

Publication number: DE1576969B2
Application number: DE19671576969
Authority: DE
Inventors: Harry Aldershot Hampshire Shaw (Großbritannien)
Original assignee: Der Minister für Technologie in der Regierung Ihrer Majestät der Königin der Vereinigten Königreiche von Großbritannien und Nordirland, London
Priority date: 1966-08-26
Filing date: 1967-08-25
Publication date: 1976-02-26
Also published as: CH476913A; FR1549281A; DE1576969A1; US3458119A; GB1151937A

Description

Die Erfindung betrifft eine Laufschaufelbefestigung für Axialströmungsmaschinen mit in schwalbenschwanzförmigen Axialnuten eingesetzten Laufschaufeln gemäß Oberbegriff des vorstehenden Patentanspruchs. The invention relates to a rotor blade attachment for axial flow machines with a dovetail shape Axial grooves used blades according to the preamble of the preceding claim.

Eine Laufschaufelbefestigung dieser Art ist aus der BE-PS 6 25 272 bekannt.A blade attachment of this type is known from BE-PS 6 25 272.

Allerdings beschreibt diese Druckschrift die Befestigung von aus zerbrechlichem Werkstoff, wie beispielsweise Keramik oder gesinterter Keramik, hergestellter Laufschaufeln an der Laufradscheibe. Das dort zu bewältigende Problem ist die Sicherstellung einer ausreichend guten Schaufelbefestigung am Laufrad, wobei die hauptsächliche Schwierigkeit darin liegt, daß die tragenden Flächen des Schaufelfußes einer Keramikschaufel nicht mit der erforderlichen Ebenheit herstellbar sind und deshalb einer geeigneten Nachbehandlung bedürfen. Bei den in dieser Druckschrift angegebenen Schaufelfußformen handelt es sich um durchaus übliche Konstruktionen, beispielsweise schwalbenschwanz- oder tannenbaumförmige Schaufelfüße. However, this document describes the attachment made from a fragile material such as ceramic or sintered ceramic Blades on the impeller disk. The problem to be overcome there is to ensure a Sufficiently good blade attachment to the impeller, the main difficulty being that the load-bearing surfaces of the blade root of a ceramic blade do not have the required flatness can be produced and therefore require suitable post-treatment. In the case of the indicated blade root shapes are quite common constructions, for example dovetail or fir tree shaped blade feet.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich jedoch mit der Bewältigung eines anderen, nachstehend erläuterten Problems, welches sich daraus ergibt, daß die Schaufelblätter der bei Axialströmungsmaschinen üblicherweise verwendeten Laufschaufeln bekanntermaßen aufgrund ihrer Form flexibel sind, insbesondere an ihren dünnen Hinterkanten, während die Schaufelfüße aus Festigkeitsgründen notwendigerweise ziemlich massiv und daher vergleichsweise starr sind.The present invention, however, is concerned with accomplishing another to be discussed below Problem that arises from the fact that the blades in axial flow machines usually The rotor blades used are known to be flexible due to their shape, especially their thin ones Trailing edges, while the blade roots are necessarily quite massive and for reasons of strength therefore are comparatively rigid.

Bei hohen Drehzahlen sind die Laufschaufeln starken Fliehkräften und hohen Strömungsmitteldrücken ausgesetzt, welche über die Schaufelfüße auf die Laufradscheibe übertragen werden müssen. Aus aerodynamisehen Gründen und im Hinblick auf die auftretenden Massenkräfte ist es nicht möglich, die beaufschlagten Schaufelblätter ebenso massiv auszuführen wie die Schaufelfüße, weshalb an den Übergangsstellen zwischen den hochbelasteten, jedoch verhältnismäßig schwachen Schaufelblättern und den Fußplatten der verhältnismäßig starren Schaufelfüße sehr hohe örtliche Zugspannungen auftreten. Diese Zugspannungen können zu Brüchen an der Hinterkante des Schaufelblattes führen. Außer dem tangential und axial auf die Laufradscheibe wirkenden Strömungsmitteldruck, der entsprechende Schaufelausbiegungen hervorruft, wirken auch noch andere, verschiedenartige Verformungen der Schaufelblätter bewirkende Kräfte auf die Laufschaufeln. Eine Auftriebskraft greift in jedem Querschnitt eines beaufschlagten Schaufelblattes an einem in der Aerodynamik als Auftriebsmittelpunkt bezeichneten Punkt an und die Auftriebsmittelpunkte liegen sämtlich auf einer längs des Schaufelblattes verlaufen- / den sogenannten Auftriebsachse. Fällt diese Auftriebs- V achse mit der im allgemeinen als Torsionsachse bezeichneten Schaufellängsachse zusammen, so treten beim Angriff äußerer Kräfte auf die Laufschaufel keine Torsionsspannungen innerhalb des beaufschlagten Schaufelblattes auf. Normalerweise liegt aber die Auftriebsachse näher bei der Schaufelblattvorderkante als die Torsionsachse, so daß die angreifenden Auftriebskräfte versuchen, das Schaufelblatt im Sinne einer Vergrößerung des Anstellwinkels zu verdrehen. Zum Betrieb mit maximaler konstruktiv möglicher Leistung liegt der konstruktive Anstellwinkel des beaufschlagten Schaufelblattes oft hart an der Grenze des kritischen Anstellwinkels. Tritt nun in der Zuströmung zum Laufrad irgendeine Störung auf, durch welche der Anstellwinkel so vergrößert wird, daß die Strömung abreißt, so fällt die Auftriebskraft plötzlich sehr stark ab und der Anstellwinkel verkleinert sich wieder entsprechend. Dieser Zyklus wiederholt sich und führt zum Schaufelflattern. Die dadurch bedingten Torsionsbiegeschwingungen des Schaufelblattes vergroßem die ohnehin schon vorhandenen Beanspruchungen des beaufschlagten Schaufelblattes so erheblich, daß die Laufschaufeln an den Übergangsstellen zwischen den Schaufelblattaustrittskanten und den Fußplatten durch Kerbspannungen zum Bruch neigen.At high speeds, the blades are exposed to strong centrifugal forces and high fluid pressures, which must be transferred to the impeller disc via the blade roots. From an aerodynamic point of view Reasons and with regard to the occurring inertia forces, it is not possible to act on them The blade blades are just as solid as the blade roots, which is why at the transition points between the heavily loaded, but relatively weak blades and the footplates of the relatively rigid blade roots, very high local tensile stresses occur. These tensile stresses can lead to breaks at the trailing edge of the airfoil. Except the tangential and axial on the Impeller disk acting fluid pressure, which causes corresponding blade deflections, act also other, different types of deformations of the blades causing forces on the blades. A lift force acts in each cross section of an acted airfoil on an in aerodynamics at the point designated as the center of lift and the centers of lift are located all of them run along a so-called lift axis. If this buoyancy V falls axis coincides with the longitudinal axis of the blade, which is generally referred to as the torsion axis, so come together when external forces act on the rotor blade, no torsional stresses within the acted upon Blade on. Usually, however, the axis of lift is closer to the leading edge of the airfoil as the torsion axis, so that the acting lift forces try to move the blade in the sense to twist an increase in the angle of attack. To operate with maximum constructively possible Performance, the design angle of attack of the loaded blade is often close to the limit the critical angle of attack. If there is any disturbance in the flow to the impeller, through If the angle of attack is increased so that the flow breaks off, the buoyancy force suddenly falls very sharply and the angle of attack decreases accordingly. This cycle repeats itself and leads to blade flutter. The resulting torsional bending vibrations of the airfoil enlarged the already existing stresses on the applied blade are so significant that the blades at the transition points between the airfoil trailing edges and the footplates tend to break due to notch stresses.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laufschaufelbefestigung gemäß Oberbegriff des vorstehenden Patentanspruchs so zu verbessern, daß die Beanspruchungen an der Übergangsstelle zwischen dem Schaufelblatt und der Fußplatte sowie die Neigung zum Schaufelflattern und zu den damit verbundenen Torsionsbiegeschwingungen verringert werden und dadurch die Gefahr von Schaufelbrüchen an der genannten Übergangsstelle weitgehend beseitigt wird.The invention is based on the object of a rotor blade fastening according to the preamble of the above To improve claim so that the stresses at the transition point between the blade and the footplate as well as the tendency to blade flutter and those associated with it Torsional bending vibrations are reduced and thereby the risk of blade breakage on the is largely eliminated.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des vorstehenden Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved according to the invention by what is stated in the characterizing part of the preceding claim Features solved.

Die erfindungsgemäße Konstruktion ergibt die vorteilhafte Wirkung, daß die gesamte Laufschaufel im Hinterkantenbereich flexibler als im übrigen Teil ist. Die Erfindung bringt dadurch den technischen Fortschritt, daß im Betrieb des einer Strömungsmittelströmung ausgesetzten Laufrades die an den Schaufelblatthinterkanten auftretenden Spannungen abgeschwächt werdenThe construction according to the invention gives the advantageous effect that the entire blade in the Trailing edge area is more flexible than in the rest of the part. The invention thereby brings technical progress, that, during operation of the impeller exposed to a fluid flow, those at the blade trailing edges occurring tensions are weakened

und die Gefahr von Schaufelbrüchen verringert wird. Die Ursache hierfür liegt darin, daß infolge der erfindungsgemäßen Konstruktion des Schaufelhalses keine abrupte Änderung der Schaufelflexibilität insbesondere im kritischen Hinterkantenbereich, vorhanden ist. Aus aerodynamischen Gründen ist der Schaufelhals innerhalb der Nuten der Laufradscheibe untergebracht und es sind Zwischenräume vorgesehen, welche Biegungen des Schaufelhalses in vorteilhafter Weise ermöglichen. Die dabei auftretenden Relativbewegungen werden zur Schaufelschwingungsdämpfung durch den Reibschluß zwischen der Fußplatte und den Seitenflächen der Axialnut ausgenützt und stellen so einen weiteren Vorteil dar.and the risk of blade breakage is reduced. The reason for this is that as a result of construction of the blade neck according to the invention no abrupt change in the blade flexibility especially in the critical trailing edge area. For aerodynamic reasons, the Blade neck housed within the grooves of the impeller disk and there are spaces provided, which allow bends of the blade neck in an advantageous manner. The relative movements that occur are used to dampen blade vibrations through the frictional engagement between the footplate and the Side surfaces of the axial groove are used and thus represent a further advantage.

Ferner ergibt sich der Vorteil, daß sich wegen der flexibleren Gestaltung des Hinterkantenbereiches die Torsionsachse in Richtung zur Schaufelblattvorderkan-. te hin verlagert und sogar vorderhalb der Auftriebsachse liegen kann und außerdem nicht, wie bei herkömmlichen Laufschaufeln, parallel zur Schaufelvorderkante, sondern zu dieser Vorderkante hin geneigt verläuft. Das hat zur Folge, daß die Auftriebskräfte, anstatt im Sinne einer Vergrößerung des Anstellwinkels nunmehr im Sinne einer Verkleinerung des Anstellwinkels auf das Schaufelblatt wirken, weshalb eine wesentlich geringere Neigung zum Abreißen der Strömung und somit zum Schaufelflattern besteht.Furthermore, there is the advantage that because of the more flexible design of the rear edge area, the Torsion axis in the direction of the airfoil front edge. te shifted towards and even in front of the lift axis can lie and also not, as with conventional blades, parallel to the blade leading edge, but runs inclined towards this leading edge. This has the consequence that the buoyancy forces, instead of meaning an increase in the angle of attack now in the sense of a reduction in the angle of attack to the Blade act, which is why there is a much lower tendency to tear off the flow and thus to There is blade flutter.

Das Teilmerkmal c) des kennzeichnenden Teils des vorstehenden Patentanspruchs ist an sich aus der US-PS 30 34 763 bekannt. Diese Druckschrift beschreibt eine Laufschaufelbefestigung, bei welcher das Schaufelblatt mit der Fußplatte nach vorne und nach hinten über den Schaufelfuß übersteht. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung besteht über die ganze Länge der Fußplatte eine gleichbleibend starre Verbindung zwischen dieser und dem Schaufelhals, da die Fußplatte und der Schaufelhals über ihre ganze Länge gleich dick sind, und der Schaufelhals liegt überall fest an den Seitenflächen der Laufradscheibennut an. Eine Biegefähigkeit des Schaufelfußes ist also bei der bekannten Laufschaufelbefestigung überhaupt nicht erwünscht.The partial feature c) of the characterizing part of the preceding claim is per se from US-PS 30 34 763 known. This document describes a blade attachment in which the airfoil protrudes with the footplate forwards and backwards over the blade root. In contrast to the present one Invention, there is a consistently rigid connection between the footplate over the entire length of the footplate and the shovel neck, since the base plate and the shovel neck are of the same thickness over their entire length, and the blade neck lies firmly against the side surfaces of the impeller disk groove. A flexibility of the The blade root is therefore not at all desirable in the known blade attachment.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Es stellen.dar:An embodiment of the invention is described below with reference to the drawings. It represent:

F i g. 1 eine Seitenansicht einer Laufschaufel,F i g. 1 shows a side view of a rotor blade,

F i g. 2 einen achssenkrechten Schnitt in der Ebene II-IIin Fig. 1,F i g. 2 shows a section perpendicular to the axis in plane II-II in FIG. 1,

Fig.3 einen achssenkrechten Schnitt in der Ebene III-IIIin Fig. 1,und3 shows a section perpendicular to the axis in the plane III-III in Fig. 1, and

F i g. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in F i g. 1.F i g. 4 shows a section along the line IV-IV in FIG. 1.

Die dargestellte Verdichterlaufschaufel weist ein Schaufelblatt 1 im Tragflügelprofil, eine Schaufelwurzel 2 und eine Fußplatte 3 auf. Die Schaufelwurzel 2 besteht aus einem sich an die Fußplatte 3 anschließenden Schaufelhals 4 und dem sich unten an diesen anschließenden, schwalbenschwanzförmigen Schaufelfuß 5. Dieser Schaufelfuß 5 weist einen im wesentlichen gleichförmigen Querschnitt auf und ist in üblicher Weise in einer entsprechenden Axialnut einer Laufradscheibe befestigt.The compressor blade shown has a blade 1 in the airfoil profile, a blade root 2 and a base plate 3. The blade root 2 consists of an adjoining base plate 3 Shovel neck 4 and the dovetail-shaped blade root adjoining this at the bottom 5. This blade root 5 has a substantially uniform cross-section and is in the usual way fastened in a corresponding axial groove of an impeller disc.

Der Schaufelhals 4 ist an seinem stromunterseitigen Ende gemäß F i g. 1 hinterschnitten, so daß er gegenüber dem stromabseitigen Ende der Fußplatte und der Schaufelblatthinterkante axial zurückgesetzt ist. Dadurch ergibt sich ein verhältnismäßig biegsamer Schaufelhalsteil 6, der stromabwärts über den übrigen, verhältnismäßig starren Schaufelhalsteil übersteht und die Hinterkante des Schaufelblattes 1 abstützt.The blade neck 4 is at its downstream end according to FIG. 1 undercut so that he is set back axially relative to the downstream end of the footplate and the airfoil trailing edge. This results in a relatively flexible shovel neck part 6, which extends downstream over the remaining, relatively rigid blade neck part protrudes and the rear edge of the blade 1 is supported.

Aus Fig.4 ist ersichtlich, daß die Dicke des Schaufelhalses 4 in stromabwärtiger Richtung gleichförmig abnimmt, so daß der Schaufelhals im Querschnitt etwa die Form eines sich stromabwärts verjüngenden Keiles hat. In F i g. 4 ist außerdem die Auftriebsachse 7 und die Torsionsachse 8 der Laufschaufel eingezeichnet.From Figure 4 it can be seen that the thickness of the blade neck 4 is uniform in the downstream direction decreases, so that the blade neck in cross-section approximately the shape of a tapering downstream Has wedge. In Fig. 4 also shows the lift axis 7 and the torsion axis 8 of the rotor blade.

Im Betrieb an der Hinterkante des Schaufelblattes 1 auftretende Belastungen werden dadurch aufgenommen, daß der überstehende Teil der Fußplatte 3 abgebogen wird. Bei in axialer Richtung wirkenden Kräften, welche die Hinterkante des Schaufelblattes nach vorne oder hinten abzubiegen suchen, biegt sich der überstehende Teil der Fußplatte 3 nach oben oder unten aus, wodurch ein Teil der an der Übergangsstelle der Hinterkante in die Fußplatte 3 auftretenden Spannungen aufgenommen wird. In gleicher Weise werden tangential wirkende Kräfte oder Torsionskräfte dadurch aufgenommen, daß der biegsame Schaufelhalsteil 6 sich um eine zur Schaufelfußachse parallele Achse zu verwinden sucht, wie dies in Fig.3 durch Pfeile angedeutet ist.Loads occurring at the rear edge of the airfoil 1 during operation are absorbed by that the protruding part of the base plate 3 is bent. When acting in the axial direction Forces, which seek to bend the trailing edge of the airfoil forwards or backwards, bend the protruding part of the base plate 3 upwards or downwards, whereby part of the at the transition point the rear edge in the footplate 3 occurring stresses is absorbed. In the same way tangentially acting forces or torsional forces are absorbed by the fact that the flexible blade neck part 6 seeks to twist around an axis parallel to the blade root axis, as shown in FIG. 3 by arrows is indicated.

Die Biegsamkeit des überstehenden Teiles der Fußplatte 3 wird dadurch erhöht, daß die Dicke der Fußplatte 3 in Richtung zur Hinterkante des Schaufelblattes 1 abnimmt, wie aus F i g. 1 deutlich ersichtlich ist. Die Konstruktion des Schaufelhalses 4 und der Fußplatte 3 bewirken, daß sich zwischen der Schaufelblatthinterkante und dem Schaufelfuß kein ausgesprochenes Belastungsgefälle ausbildet.The flexibility of the protruding part of the base plate 3 is increased by the fact that the thickness of the Footplate 3 decreases in the direction of the rear edge of the airfoil 1, as shown in FIG. 1 can be clearly seen. The construction of the blade neck 4 and the footplate 3 have the effect that there is between the blade trailing edge and the blade root does not develop a pronounced load gradient.

Die in der Laufradscheibe 9 gebildete, den Schaufelfuß aufnehmende Axialnut 10 weist einen seitlich erweiterten Nutgrund 11 zur Aufnahme des schwalbenschwanzförmigen Schaufelfußes 5 und sich daran anschließende, radial nach außen zur Nutöffnung verlaufende Nutseitenflächen 12 auf. Zwischen den zueinander parallelen Seitenflächen 12 und dem Schaufelhals 4, der nur im stromoberhalb liegenden Bereich der Axialnut an den Seitenflächen formschlüssig anliegt, ist ein sich stromabwärts fortschreitend erweiternder Zwischenraum gebildet. Die in Umfangsrichtung weisenden Stirnflächen der Fußplatte 3 liegen reibschlüssig an den Nutseitenflächen 12 an, so daß sich eine die Biegebewegungen der Laufschaufel verringernde Reibungsdämpfungswirkung ergibt.The axial groove 10 formed in the impeller disk 9 and receiving the blade root has a side expanded groove base 11 for receiving the dovetail-shaped blade root 5 and attached to it subsequent groove side surfaces 12 extending radially outward towards the groove opening. Between mutually parallel side surfaces 12 and the blade neck 4, which is only in the upstream The area where the axial groove rests in a form-fitting manner on the side surfaces is progressing downstream widening space formed. The end faces of the footplate 3 pointing in the circumferential direction are located frictionally on the groove side surfaces 12, so that the bending movements of the blade are reduced Friction damping effect results.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Claim:

Blade attachment for axial flow machines, with in dovetail-shaped axial grooves blades used, the axial grooves radially outside of that provided in the groove base Dovetail cross-section are expanded, and each of the blades with a dovetail Blade base is provided, to which a blade neck is connected, which merges into a base plate, which is in the axial groove inserted rotor blade closes off the axial groove radially outwards, characterized by the Combination of the following features:

a) The thickness of the footplate (3) decreases in the direction of flow, and the blade (1) extends essentially over the entire axial length of the base plate (3), the two in the circumferential direction facing end faces of the footplate (3) on the adjacent side faces the axial groove (10) bear frictionally;

b) the thickness of the blade neck (4) decreases in the direction of flow in such a way that the blade neck (4) only in the upstream area of the axial groove (10) on its side surfaces is form-fitting; and

c) the blade neck (4) is at its downstream end opposite the downstream end The end of the footplate (3) is set back axially in such a way that the rear edge of the airfoil (1) over the downstream end of the blade neck (4) axially in the direction of flow towered over!